[发明专利]一种多轴增材制造成型顺序优化方法

说明书

本发明公开了一种多轴增材制造成型顺序优化方法，包括：基于交互选择获得三角网格模型特征点，利用追踪投影算法生成初始分割线；基于初始分割线利用区域增长算法将模型初步分割为多个子块，并依据分割边界信息初步对各子块进行排序；以最少支撑和台阶效应为优化目标函数，利用多目标优化算法求取子块最优成型方向；通过初始分割线和子块的最优成型方向建立优化分割平面来光滑子块分割边界；以最优化约束为优化目标函数，在满足物理性约束的前提下，利用多目标优化算法来优化分割子块的多轴增材制造成型顺序。本发明方法能够实现三角网格模型的灵活、优化分割，提高成型表面质量和成型效率。

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种多轴增材制造成型顺序优化方法。

背景技术

典型的二轴半增材制造技术能够以较为简单的装备制造出任意复杂形状的零件，但在制造一些多分支复杂零件需要加很多的支撑，浪费丝材、消耗时间；其次，对一些需加支撑才能打印成型的零件表面，在去除支撑后支撑部位的表面质量较差；而且，由于只沿着一个方向成型，与成型方向有较大夹角的表面台阶效应较为明显，也会造成表面质量较差。因此，有研究人员开始考虑具有更多自由度的多轴成型方式。多轴成型方式具有更多的运动自由度，理论上可以更加灵活地实现材料的叠加，减少甚至不需要支撑结构，从而节约材料，提高成型效率。

要合理利用多轴来减少甚至消除支撑结构，就必须对成型过程进行合理规划。这需要要首先识别出CAD模型中悬臂结构；然后采用分割模型方式或薄壁墙结构方式，按照一定顺序来成型。现有研究中，采用分割模型方式较多，如：(1)Ding Donghong等人在学术期刊《Robotics and Computer-Integrated Manufacturing》2016，37，P139-150发表的学术论文“Automatic multi-direction slicing algorithms for wire based additivemanufacturing”中针对具有完整封闭的凹特征线的模型，采用凹特征线分割模型，该方法不适合没有封闭的凹特征线的模型。(2)Ding Yaoyu等人在学术期刊《Robotics andComputer-Integrated Manufacturing》2017，44，P67-76发表的学术论文“Processplanning for 8-axis robotized laser-based direct metal deposition system:Acase on building revolved part”中针对复杂针对复杂旋转体，将不能直接成型的面沿成型方向扫描以分割模型，很明显该方法主要针对旋转体。Sundaram R等人在学术期刊《Transactions of the ASME》2004.8，126，P632-636发表的学术论文“A SlicingProcedure for 5-Axis LaserAided DMD Process”、Prabhjot Singh等人在学术期刊《Journal of Computing and Information Science in Engineering》2001.6，1，P129-142发表的学术论文“Multi-Direction Slicing for Layered Manufacturing”中利用法向与成型方向成一定角度的点，构成轮廓线后沿成型方向扫描来分割模型。这些几何对象扫描分割的方法，预先设定的扫描方向限制了分割的灵活性，难以获得最优化分割，另外有可能造成过分割。(3)Lee Kyubok等人在学术期刊《Journal of Mechanical Science andTechnology》2015，29(12)，P5139-5144发表的学术论文“Slicing algorithms for multi-axis 3-D metal printing of overhangs”中通过将相邻两个分层轮廓中的下层轮廓沿分层方向上扫描来分割模型，该方法的分层方向也限制了分割的灵活性，难以获得最优化分割，另外有可能造成过分割；(4)Ren Lan等人在学术期刊《Journal of ManufacturingSystems》2008，27，P158-165发表的学术论文“Process planning strategies for solidfreeform fabrication of metal parts”中基于平行三个坐标平面的切片轮廓区域中点构成中轴线后，基于中轴线进行模型分割；对于截面积有变化但中轴线不变的模型结构，则基于凹特征环构造合适的平面来分割模型。同样，三个方向的切片也限制了分割的灵活性，难以获得最优化分割，另外有可能造成过分割。